3. Linux网络设备驱动框架：net_device结构体、网络设备驱动注册与注销、NAPI与中断机制

好，咱们今天聊聊网卡驱动的核心骨架。说实话，Linux网络设备驱动这块，刚入门时容易觉得乱——结构体多、回调函数多、中断处理还分好几套。但你别怕，抓住三个关键点就行：net_device 是网卡的“身份证”，注册与注销是驱动的“生老病死”，NAPI与中断是收发包的“交通规则”。

我个人习惯把这三块串起来理解：先有设备对象，再把它挂到内核里，最后用高效的方式处理数据。咱们一个一个拆开看。

3.1 net_device结构体：网卡的“户口本”

在Linux内核里，每个网络设备都对应一个 struct net_device 结构体。你可以把它想象成网卡的“户口本”——里面记着设备的名字、MAC地址、MTU、操作函数集等等。我当年第一次看这个结构体时，差点被它几百行的成员吓到。其实常用的就那几十个。

核心成员我列一下：

成员	类型	说明
name	char[]	设备名，比如 eth0、wlan0
dev_addr	unsigned char*	MAC地址指针
mtu	unsigned int	最大传输单元，默认1500
flags	unsigned short	设备标志，比如 IFF_UP、IFF_RUNNING
netdev_ops	const struct net_device_ops*	操作函数集，最重要的成员之一
irq	int	中断号
features	netdev_features_t	硬件特性标志，比如支持校验和卸载

这里我想特别提一下 netdev_ops。它定义了网卡怎么“干活”——打开、关闭、启动传输、设置MAC地址、修改MTU等等。你在驱动里主要就是填充这个结构体。举个例子：

static const struct net_device_ops my_netdev_ops = {
    .ndo_open       = my_netdev_open,
    .ndo_stop       = my_netdev_stop,
    .ndo_start_xmit = my_netdev_start_xmit,
    .ndo_set_mac_address = my_netdev_set_mac,
    .ndo_change_mtu = my_netdev_change_mtu,
};

嗯，这里要注意：ndo_start_xmit 是发送数据的入口。内核协议栈把要发的skb交给你，你负责把它扔到硬件里。我在项目中遇到过一个问题——发送函数里忘了释放skb，结果内存泄漏，跑几天系统就挂了。所以记得：发完数据要 dev_kfree_skb()。

3.2 网络设备驱动注册与注销

驱动怎么告诉内核“嘿，我有个网卡要管”？靠两个函数：register_netdev() 和 unregister_netdev()。

注册流程大概是这样的：

1. 用 alloc_etherdev() 或 alloc_netdev() 分配一个 net_device 结构体
2. 填充必要的成员：name、netdev_ops、ethtool_ops 等
3. 设置硬件相关资源：IO地址、中断号、DMA缓冲区
4. 调用 register_netdev() 注册到内核

我贴一段典型的初始化代码：

static int my_netdev_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct net_device *ndev;
    struct my_priv *priv;
    int ret;

    // 1. 分配net_device，同时分配私有数据区
    ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct my_priv));
    if (!ndev)
        return -ENOMEM;

    priv = netdev_priv(ndev);
    priv->ndev = ndev;

    // 2. 设置操作函数
    ndev->netdev_ops = &my_netdev_ops;
    ndev->ethtool_ops = &my_ethtool_ops;

    // 3. 设置MAC地址（从设备树或EEPROM读取）
    // ...

    // 4. 注册
    ret = register_netdev(ndev);
    if (ret) {
        free_netdev(ndev);
        return ret;
    }

    platform_set_drvdata(pdev, ndev);
    return 0;
}

注销时反过来：先 unregister_netdev()，再 free_netdev()。我曾经犯过一个错——先释放了私有数据再注销，结果注销函数里还访问了私有数据，直接Oops。顺序很重要，切记。

3.3 NAPI与中断机制

收包是网卡驱动的核心。早期驱动用纯中断方式：来一个包，触发一次中断，CPU 进中断处理函数收包。问题很明显——高负载下中断风暴，CPU 被活活打死。

NAPI（New API）就是来解决这个问题的。它的核心思想是：中断 + 轮询混合。中断来了先关中断，然后切到轮询模式，一口气收完所有包，再开中断。这样高负载时减少中断次数，低负载时响应也快。

NAPI 的关键数据结构是 struct napi_struct，里面有个 poll 回调函数。你想想看，驱动要做的事就是：

1. 初始化时调用 netif_napi_add() 注册 NAPI
2. 中断处理函数里调用 napi_schedule() 触发轮询
3. 在 poll 函数里收包，返回处理了多少个包
4. 收完后调用 napi_complete() 并重新开中断

我画个流程图帮你理解：

代码层面，poll 函数长这样：

static int my_netdev_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{
    struct my_priv *priv = container_of(napi, struct my_priv, napi);
    struct net_device *ndev = priv->ndev;
    int work_done = 0;

    // 循环从硬件收包
    while (work_done < budget) {
        struct sk_buff *skb = my_hw_receive_packet(priv);
        if (!skb)
            break;

        skb->protocol = eth_type_trans(skb, ndev);
        netif_receive_skb(skb);
        work_done++;
    }

    // 如果收满了，继续轮询；否则退出轮询模式
    if (work_done < budget) {
        napi_complete_done(napi, work_done);
        // 重新开中断
        my_hw_enable_interrupt(priv);
    }

    return work_done;
}

中断处理函数里，你只需要做最轻量的事：

static irqreturn_t my_netdev_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    struct net_device *ndev = dev_id;
    struct my_priv *priv = netdev_priv(ndev);

    // 关中断
    my_hw_disable_interrupt(priv);

    // 触发NAPI轮询
    napi_schedule(&priv->napi);

    return IRQ_HANDLED;
}

你看，中断处理函数里几乎不做实际收包工作，只是关中断 + 调度NAPI。实际收包在软中断上下文里完成。这样设计的好处是：中断处理时间极短，系统响应快。

嗯，说到NAPI，我记得有一次调试一个千兆网卡驱动，发现收包性能上不去。查了半天，原来是 poll 函数里忘了调用 napi_complete()，导致中断一直关着，后续包只能靠轮询收。低负载时延迟飙升。所以啊，细节决定成败。

好了，这一章的内容就到这。你把这些搞懂了，网卡驱动的基本框架就搭起来了。下一块咱们聊聊更具体的——sk_buff 和 DMA 传输，那才是真正搬砖的地方。

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